CN213102246U - 一种多组振子泵的微流控集成系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多组振子泵的微流控集成系统，由多组振子泵微流控芯片通过并联或串联方式组成，每组微流控芯片均包括振子泵和通道，振子泵由设置在通道内的具有明确NS极的球形磁子、设置在通道外的具有明确NS极的长方形磁铁片和驱动线圈组成。本实用新型通过可广泛用在细胞或组织的循环系统内，通过串并联组合，该微流控集成控制系统可完全模拟生命体的网络组织，且该微流控芯片类似于塑料培养皿通道，其速度特性像电路一样易于计算，易于用塑料注射模制造，成本低、体积小、易携带，对生命科学研究有着重要作用。

Description

一种多组振子泵的微流控集成系统

技术领域

本实用新型涉及微流控领域，尤其涉及一种多组振子泵的微流控集成系统。

背景技术

微流控，是一种精确控制和操控微尺度流体，尤其特指亚微米结构的技术，微流控芯片采用类似半导体的微机电加工技术在芯片上构建微流路系统，将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径和液相小室组成的芯片结构上，加载生物样品和反应液后，采用微机械泵、电水力泵和电渗流等方法驱动芯片中缓冲液的流动，形成微流路，于芯片上进行一种或连续多种的反应。

现有微流控系统都存在系统过于复杂，价格高，体积大，不利于随时携带，随时检测的问题。因此需要研发一种微流控系统，使其价格便宜，体积小、易操作，不担心堵塞通道，无使用寿命限制，可靠和简单。

实用新型内容

本实用新型提供一种多组振子泵的微流控集成系统，以实现微流系统体积小、成本低、易携带的功能。

本实用新型所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种多组振子泵的微流控集成系统，由多组振子泵微流控芯片通过并联或串联方式组成，其特征是：每组微流控芯片均包括振子泵和通道，所述振子泵由设置在所述通道内的具有明确NS极的球形磁子、设置在所述通道外的具有明确NS极的长方形磁铁片和驱动线圈组成。

优选的，所述通道是三维通道或二维通道，所述二维通道是二进二出、二进一出、一进一出形式中的任意一种或者几种通道的组合。

优选的，所述通道旁设有微小的侧通道。

本实用新型通过将多组振子泵微流控芯片通过并联或串联方式集成为一个微流控集成系统，每组微流控由独立振子泵单独控制，同时可设置微小侧通道，可广泛用在细胞或组织的循环系统内，通过串并联组合，该微流控集成控制系统可完全模拟生命体的网络组织，且该微流控芯片类似于塑料培养皿通道，其速度特性像电路一样易于计算，易于用塑料注射模制造，成本低、体积小、易携带，对生命科学研究有着重要作用。

附图说明

图1是本实用新型的基本结构示意图。

图2是高度多样化的泵示意图，图2a是三维空间上的微流控，图2b～2e是二维空间的微流控，图2f是振子泵水平放置示意图。

图3是集成阵列泵的示意图。

图4是回归和几何计算之间的比较图。

图5是侧向微通道的流量测量。

图中，1球形磁子、2长方形磁铁片、3驱动线圈、4隔墙。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

图1～5是本实用新型的优选方案，本实用新型的微流控集成系统由多组振子泵微流控芯片通过并联或串联方式组成，单个微流控芯片主要由振子泵和通道组成，本实施例采用的振子泵是由一个具有明确NS 极的球形磁子1作为振子，一个具有明确NS极的长方形磁铁片2和驱动线圈3；将球形磁子1放置在流体容腔内，长方形磁铁片2和驱动线圈3为驱动主体，设置在流体容腔外，即长方形磁铁片2和驱动线圈3 与球形磁子1之间有隔墙4(又称边界)。长方形磁铁片2平放在驱动线圈3的内环面内，驱动线圈3具有驱动长方形磁铁2旋转或摆动的能力。当驱动线圈3的输入电流为方波电流时，长方形磁铁片2以中心为支点，进行规律摆动，磁力的变化引起隔墙4另一侧的球形磁子1在平行于长方形磁铁片2的方向上往复运动。可采用直径为2mm的球形磁子1，长度为4.5mm的长方形磁铁片2，以及内圈宽5mm、长度为3mm 的驱动线圈3，将长方形磁铁片2放入驱动线圈3内，整个振子泵的整体尺寸不超过1cm。

将球形磁子1放入开放通道中，长方形磁铁片2和驱动线圈3放置在通道外，振子泵从入口通道吸入液体并将液体从出口通道输出。如图 2所示。三维稳定的微流场，入口通道和出口通道分开在不同维度空间内，如图2a所示，x-y平面中心的所有方向都可作为入口通道，而出口通道只能使用z轴的正方向或负方向，即使驱动线圈3占据正y轴，它仍然为x-y平面上的入口通道留下了很大的空间。将振子泵简化为二维空间的微流场，可以得出2进2出(图2b)、2进1出(图2c)和1进 1出(图2d)的通道形式，将这三种形式的通道组合后可得出图2e的 1进1出微流场，球形磁子1和长方形磁铁片2之间的强磁力可确保微流泵在任何角度都可工作，如图2e垂直状态、图2f水平状态或图3反转状态。将不同的通道组合在一起，即可集成多组振子泵微流控的集成系统，图3是多组相同振子泵集成的阵列泵微流控系统。

该振子泵微流控系统是定量的还是可控的，图4a显示了不同频率下每个通道的流量数据。代表泵输出的流量(v)与频率(f)成正比。驱动信号是方波。这意味着每次球形磁子1(即振子)移动撞击液体时，都会以尽可能快的速度移动。更高的频率并不意味着更快的移动速度，它只意味着一秒钟内更多的打击。当一个周期的每次打击都将定量的少量液体输送到输出通道时，泵入输出通道的总1秒量与频率成正比。

vS_flow＝D_onecyclef (1)

其中v是速度，Sflow是截面积，D是一个周期的输出体积，f是频率。

振子泵泵送方式为整数，严格遵循1:1的频率比，当前系统的最大稳定频率小于25Hz。如果长方形磁铁片2和球形磁子1之间的力越大，频率就越高。该振子泵以整数脉冲推动流体。

在1-25Hz范围内，主流的速度范围约为400-10000μm/s。借助一系列侧通道，范围迅速扩展到5-10000μm/s(图4a)。但这些并行通道不仅仅是为了降低速度而设计的。如图4a所示，回归曲线不仅具有很高的相关系数，而且具有很好的一致性。计算斜率(k)及其标准差(Sk)，并将其绘制在图4b中。图4a和图4b都是1810次流速测量的结果。对数速度与通道数之间的完美线性关系解释了七组数据的理想一致性。方程2中的经验模型(图4b)。

k＝389.3e^-0.5288c (2)

其中c是信道号。流速(v)由方程式3计算。

v＝389.3fe^-0.5288c (3)

换另一种流体，显示了相似的参数(将方程4和5与方程2进行比较)。

y_chip1＝e^-0.5277c (4)

y_chip2＝e^-0.9468c (5)

其中y是第一个通道(c0)的速度比。

将微流控芯片转化为电路图，图4d是模拟一种芯片的电路图。每个电阻(R1、R2和R)都像芯片中的通道一样连接。在我们的模型中，电流(I0-6)是目标参数，因为它们通过一系列电阻R，就像液体流过通道一样。为了简化I0-6的计算，我们添加了无限个重复电单元(cn:R1、 R2、R和In，n······)来完成其平移对称性，并建立了该电路图的方程6(图4e)。

式中，Rab(不带第一R)是不带左第一R的等效电阻。式7中， Rab(不带第一R)和In/In-1分别由式7和8计算。

对于真实的开放微流网络(图4f)，如果宽度对长度有显著影响，则测量通道两端之间的最短距离。对于流体系统，应该谨慎使用方程式 8，因为电阻(R1、R2和R)都是电流(I1、I2和I)的不变量。即使流阻与长度(L)成比例，我们也不能仅仅用L1、L2和L代替R1、R2和R，因为流阻随流量增加而增加。在没有覆盖物的通道中，流速过快会导致水位膨胀。更复杂的是，受表面张力限制的流动表面形状可能会随着振子产生的波而改变。在所有这些不确定性的情况下，仅通过几何测量和由电气图导出的方程式8或方程式9来预测流量(v)(图4g)。

预测值与实测值的误差小于0.068％(0.5896～0.5900和0.5893)。这种高精度的预测证明了电阻模型适用于振子泵微流控系统。

由于毛细血管的厚度可以达到6～8μm，因此当开放通道变薄时，预测模型是否仍然可用。在主通道旁边制造微小的U形通道(图5a)，入口和出口都与主通道相连。上下游之间的压差将液体推入微小的侧通道。由于流道内的流速远低于主流道内的流速，称之为侧流道侧向减速器。在所有边沟的深度相同的情况下，流速与宽度(W)、U形末端的距离(M)或长度(L)的倒数成正比。

三个参数(W，M和L)中只有一个在每个实验中变化(图5b)。侧沟中的水流是稳定的(图5c)；流速与W、M和1/L成正比(图5d-f)。这种侧向设计提供了一种快速的方法来降低流速(由公式10估计)，振子泵可稳定地将液体输送到微小通道的深处。

侧通道的加入，使得本实用新型的微流控集成系统更加完善，多种不同通道形式集成后，即可应对不同的通道情况，可广泛用在细胞或组织的循环系统内，对于生命体复杂网络组织的研究，每组振子泵相当于一个阀门，通过串并联组合，该微流控集成控制系统可完全模拟生命体的网络组织，对生命科学研究有着重要作用。且该微流控芯片类似于塑料培养皿通道，其速度特性像电路一样易于计算，易于用塑料注射模制造。在培养过程中，球形磁子1容易添加、移动，像培养基一样取出。所以，这种微流系统便宜得像一个培养皿，小得像一颗珠子，程序像一个列表，耗电量像一个耳机，微升刻度循环无死区，传统操作使用技巧。

以上所述，仅是本实用新型较佳实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，仍属于本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种多组振子泵的微流控集成系统，由多组振子泵微流控芯片通过并联或串联方式组成，其特征是：每组微流控芯片均包括振子泵和通道，所述振子泵由设置在所述通道内的具有明确NS极的球形磁子、设置在所述通道外的具有明确NS极的长方形磁铁片和驱动线圈组成。

2.如权利要求1所述的一种多组振子泵的微流控集成系统，其特征是：所述通道是三维通道或二维通道，所述二维通道是二进二出、二进一出、一进一出形式中的任意一种或者几种通道的组合。

3.如权利要求1所述的一种多组振子泵的微流控集成系统，其特征是：所述通道旁设有微小的侧通道。

Images